JP2014508092A - 透明度が向上した多結晶酸窒化アルミニウムの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、透明度が向上した多結晶酸窒化アルミニウムの製造方法に関するものであって、より詳細には、酸窒化アルミニウムの製造時に、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの混合粉体を常圧反応焼結し、この際、ＡｌＮの含量を１７ないし２６ｍｏｌ％に定め、原料粉体を相対密度が９５％以上になるように、１５７５℃ないし１６７５℃に１次焼結させた後、さらに高い相対密度を果たすように、１９００℃以上で２次焼結する。本発明によれば、内部の微細気孔がいずれも除去されて、可視光線透過率が７０％以上である立方晶相の多結晶酸窒化アルミニウムセラミックを比較的低い最終焼結温度で短時間に得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸窒化アルミニウムの製造方法に係り、特に、透明度が向上した多結晶酸窒化アルミニウムの製造方法に関する。

多結晶セラミックは、一般的に、不透明である。光が、気孔、粒界または不純物の影響で散乱されるためである。しかし、このような光の散乱要因を除去すれば、単結晶でのように透明になる。最もよく知られた透光性アルミナの場合、高純度の粉末で雰囲気焼結を行って、気孔をほとんど無くし、結晶粒サイズはできるだけ大きくして粒界を減らせば、透光性を帯びる。しかし、結晶相が異方性を示す六方晶相であるために、光の透過が結晶粒の方向に影響を受けて、ガラスのように透明にはならず、透光性を有する。

酸窒化アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ、Ａｌ_２３Ｏ_２７Ｎ_５）は、“ＡｌＯＮ”とよく呼ばれ、特に、γ−ＡｌＯＮは、等方性である立方晶相でありながら、焼結性に優れて、気孔除去が相対的に容易であって、透明になりうる独特の材料として知られている。しかし、透明な強化ガラスやサファイアを代替するほとんどの高強度耐摩耗透明窓の応用では、サファイアの光透過率である約８５％に近接する非常に高い光透過率を有するほど製品の価値が高くなる。そのためには、透過率を低下させる最大の要因となる酸窒化アルミニウムセラミック内の気孔を最大限除去させなければならず、これは、また厚さの増加による透過率の減少を緩和させることができる。特許文献１は、最初に、このような材料と関連して、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ粉末とを混合して、窒素ガス雰囲気下で１２００℃で２４時間熱処理した後、１８００℃以上に常圧で焼結して、透光性を帯びる多結晶酸窒化アルミニウムを製造する方法を開示している。

また、特許文献２では、ＡｌＮとＡｌ_２Ｏ_３粉末とをか焼して、酸窒化アルミニウム粉末に合成した後、これに、ホウ素（Ｂ）化合物、イットリウム（Ｙ）化合物またはランタン（Ｌａ）化合物を焼結調剤として少量添加して、相対密度９９％以上、厚さ１．７８ｍｍ試片の可視光透過度が４３％に達する多結晶を製造した。

また、特許文献３及び４は、イットリウム（Ｙ）化合物またはランタン（Ｌａ）化合物を焼結促進剤として添加するが、製造工程において、Ａｌ_２Ｏ_３粉末とカーボンブラック粉末とを適切な比率で混ぜて、これを１６００℃内外の温度でか焼して、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとに作った後、これを再び窒化ホウ素（Ｂｏｒｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ；ＢＮ）容器で１８００℃内外の温度で熱処理して、酸窒化アルミニウムに合成し、これを長期間ボールミリングして、微細な酸窒化アルミニウム粉末に作り、この粉末を成形して、１９００ないし２１４０℃で２４ないし４８時間窒素ガス雰囲気下で常圧焼結して、厚さ１．４５ｍｍで８０％の赤外線透過率を有する酸窒化アルミニウムを製造する方法を開示している。

また、特許文献５は、酸窒化アルミニウム粉末にホウ素（Ｂ）化合物またはイットリウム（Ｙ）化合物を０．５重量％以内で添加して成形して、１９００℃以上で２０ないし１００時間焼結する製造工程を開示しており、焼結添加剤として添加されたホウ素化合物Ｂ_２Ｏ_３とイットリウム化合物Ｙ_２Ｏ_３は、焼結中に液相を形成して、焼結の初期及び中期段階に緻密化を促進させ、末期段階では、固溶体ドラッグ（ｓｏｌｕｔｅ ｄｒａｇ）や析出された二次相が粒界をピニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）することによって、非正常結晶粒の成長を防止し、したがって、気孔が粒内に入って、これ以上除去されないことを阻むと開示している。

また、特許文献６は、２．０ないし１６重量％のＭｇＯを添加して、透明な酸窒化アルミニウムマグネシウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ、ＡｌＭｇＯＮ）を製造する方法を開示している。

また、特許文献７は、高比表面積を有するＡｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ粉末とを反応させて、酸窒化アルミニウム粉末を製造する方法を開示している。

また、特許文献８は、アルミニウムと酸化アルミニウム粉末との混合物を窒素ガス雰囲気で熱処理して、窒化されたアルミニウムと酸化アルミニウムとの混合体に作って、これをミーリングした後、十分に高い温度で再熱処理を通じて酸窒化アルミニウム粉末を製造する方法を開示している。

また、特許文献９は、透明な酸窒化アルミニウムを製造するために、従来に主に行った酸窒化アルミニウム粉末を先に合成して、これを焼結する代わりに、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの混合粉体を固相と液相とが共存する１９５０℃ないし２０２５℃の温度で液相の助けで焼結した後、固相のみ存在する、これよりも少なくとも５０℃低い温度で再焼結して、液相を固相に変えることを特徴とする透明な酸窒化アルミニウムの製造方法を開示しているが、このように製造された１ｍｍ厚さの酸窒化アルミニウムの可視光線透過度は、１０％を上回るレベルに過ぎなかった。

また、特許文献１０は、透明度とは関係なく高密度ＡｌＯＮを製造するために、一軸高温加圧焼結（ｈｏｔ ｐｒｅｓｓｉｎｇ）を使う段階を含む製造方法を開示している。一軸高温加圧焼結は、ほぼ理論的高密度を得るか、焼結性が低くて緻密化が難しい材料を焼結するために使われる方法や、一軸加圧であって、焼結後の形状が大きく制限され、生産性が低く、コストが高くなる。また、加圧のために黒煙モールドを使うので、ＡｌＯＮの場合は、色がよく黒く出て透明な製品の製造には限界がある。

ＡｌＯＮは、１９５０℃以上の温度で蒸発が始まる。高温焼結中の蒸発は、可能な限り減少させることが望ましく、ＡｌＯＮの場合、０．１ＭＰａないし０．３ＭＰａの低い窒素ガス圧力でも蒸発を容易に抑制できるということがよく知られている。これは、流れる窒素ガス雰囲気で行う一般的な常圧焼結で、窒素ガスで単に１気圧ないし３気圧の過圧（ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ）を電気炉内にかけて、コスト増加がほとんどない工程である。それ以外に、ガス圧力を約１０ＭＰａまで大きく高めうる工程であって、特殊圧力電気炉を使い、これをガス圧焼結（ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ、ＧＰＳ）といって、ガス圧焼結炉を使うが、コストが増加し、生産性が低くなる。蒸発が激しい窒化ケイ素の高温焼結で蒸発を抑制し、ガス圧で焼結駆動力を高めて、焼結密度をさらに増加させるために開発され、ＡｌＯＮの製造にも使われることができるが、製品のサイズに制限があり、コストが大きく増加する。さらに、２００ＭＰａ内外のガス圧を与えることができるＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）があるが、高圧チャンバサイズがさらに小さくなり、コストがさらに大きく増加する。

このように、従来技術で製造されたほとんどの酸窒化アルミニウムセラミックは、Ａｌ_２Ｏ_３に適正比率の炭素粉末を入れて反応させるか、ＡｌＮとＡｌ_２Ｏ_３粉末とを高温で熱処理して、酸窒化アルミニウム粉末を別途に合成して製造する工程を使うので、コストが高くなり、また、透明度を高めるために、２０００℃またはそれ以上の高温度で焼結するか、それともそれ以下の温度で長期間焼結して製造しなければならないために、コストがさらに高くなる問題点があった。一方、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ粉末との常圧反応焼結で製造される酸窒化アルミニウムセラミックは、高透明度を得にくかった。

一方、本発明者によって特許出願された国際公開特許第０８／０４７９５５号では、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ粉末との反応焼結で酸窒化アルミニウムを製造する方法に関するものであって、ＡｌＮの含量が３５ｍｏｌ％に固定された条件で、既存に知られた焼結調剤以外に、０．１％ないし０．２重量％のＭｇＯを焼結調剤として添加する方法と反応焼結中、１６５０℃の温度で予備焼結を経て、最終焼結を行って、１．９ｍｍ厚さの試片での可視光線透過率が８０％に迫る透明な酸窒化アルミニウムを製造する方法とを開示している。しかし、前記特許出願では、最終焼結が比較的高い温度である２０００℃で５時間行われた問題があり、それにも拘らず、１．９ｍｍ厚さの試片の可視光線透過率が８０％を超えない程度であるために、１９５０℃ないし１９７０℃の低い最終焼結温度でも、透過率が大きく向上した酸窒化アルミニウムを製造することができる新たな製造方法が必要である。

酸窒化アルミニウムの化学式は、一般的に、Ａｌ_２３Ｏ_２７Ｎ_５に表記されるが、Ｎの数が５よりも大きいか小さくても、酸窒化アルミニウム単一相になる比較的広い範囲のＮを有しうる非化学量論的（ｎｏｎｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）結晶であって、Ａｌ_{（６４＋ｘ）／３}Ｏ_{（３２−ｘ）}Ｎ_ｘの化学式で表現される。

しかし、前記の従来技術では、透明な酸窒化アルミニウムを製造するに当たって、別途の工程である酸窒化アルミニウム粉末合成を経て酸窒化アルミニウム粉体を焼結するか、またはＡｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ粉末とが混合された混合粉体を反応焼結する場合を問わず、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ粉末との比率による可視光透過率についての研究は、すなわち、Ａｌ_{（６４＋ｘ）／３}Ｏ_{（３２−ｘ）}Ｎ_ｘ式で、“ｘ”値が可視光透過率に及ぼす研究はまだ行われていない。

従来技術は、２７ｍｏｌ％ないし４０ｍｏｌ％、すなわち、３．４ないし６．０のｘ値が、適切であると仮定し、あらゆる学術的な研究でも、主にＡｌＯＮの一般的に表記される化学式であるＡｌ_２３Ｏ_２７Ｎ_５でのＡｌＮ量である３５．７ｍｏｌ％、すなわち、５．０のｘ値、または、任意の３０ｍｏｌ％ＡｌＮ、すなわち、３．９のｘ値で固定して、酸窒化アルミニウムを製造または研究した。

また、非特許文献１に発表された論文“ＡｌＯＮ：Ａ ｂｒｉｅｆ ｈｉｓｔｏｒｙｏｆ ｉｔｓ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｄ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ”によれば、透明酸窒化アルミニウムを世界で唯一に成功的に商用化しているアメリカＳｕｒｍｅｔ社の透明酸窒化アルミニウムセラミックのｘ値は、４．０、すなわち、３１ｍｏｌ％のＡｌＮに該当すると報告している。このような酸窒化アルミニウムは、前記論文によれば、ＡｌＯＮ粉末を合成して、これを焼結すると知られており、高透明度を得るために、２００ないし２５０μｍの平均結晶粒サイズを有するように製造され、このような非常に大きな結晶粒サイズを得るためには、相対的に高い焼結温度と長時間との焼結を必要とする。一般的に、セラミックでは、大きな結晶粒サイズは、強度の低下をもたらす。

これにより、本発明者は、反応焼結で製造される酸窒化アルミニウムの製造において、原料粉末であるＡｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとのモル分率を適切に調節して、焼結性を増進させて酸窒化アルミニウムの光透過率をさらに向上させるために、本発明を完成した。特に、一般的に、セラミックは、焼結性を増進させれば、同じ密度を得るのに当たって、さらに低い最終焼結温度で短時間に製造することができる。

米国特許第４，２４１，０００号明細書 米国特許第４，５２０，１１６号明細書 米国特許第４，４８１，３００号明細書 米国特許第４，６８６，０７０号明細書 米国特許第４，７２０，３６２号明細書 米国特許第５，２３１，０６２号明細書 米国特許第５，６８８，７３０号明細書 米国特許第６，９５５，７９８号明細書 米国特許第７，０４５，０９１号明細書 米国特許第７，１６３，６５６号明細書

Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ ２９（２００９）

本発明は、前述した従来技術を向上させ、問題点を解決するために着眼したものであって、酸窒化アルミニウムセラミックの気孔をさらに除去して、より透明な酸窒化アルミニウムセラミックを製造することができる方法を提供することをその目的とする。

前記目的を果たすために、本発明は、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの混合粉体を常圧反応焼結する透明な多結晶酸窒化アルミニウムの製造方法において、純粋なＡｌＮの含量が１７ないし２６ｍｏｌ％であり、相対密度が９５％以上になるように、１５７５℃ないし１６７５℃で１次焼結する段階と、前記１次焼結よりもさらに高い相対密度を果たすように、１９００℃ないし２０５０℃で２次焼結する段階と、を含み、前記製造された１．５ｍｍ厚さの試片の可視光線直線透過度が７０％以上であることを特徴とする透明な酸窒化アルミニウムの製造方法を提供する。

本発明によれば、内部の気孔をほぼ全て除去して、可視光線直線透過度が８０％以上に達する立方晶相の多結晶酸窒化アルミニウムセラミックを提供することができる。特に、このような透明な多結晶酸窒化アルミニウムセラミックは、高強度と硬度及び耐磨耗性とを有するので、高強度、硬度及び耐磨耗性を共に要求する透明防弾板、赤外線センサーの窓、レーダードーム、透明時計窓、透明ディスプレイ窓のような製品に活用されうる。また、本発明の製造方法によれば、酸窒化アルミニウム粉末を合成して焼結する必要なしに、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ粉末とをそのまま混合して焼結する場合にも、比較的低い焼結温度、そして、短い焼結時間でも、非常に透明な酸窒化アルミニウムセラミックを製造することができて、製造工程が単純になり、工程コストが節減される。

１次焼結なしに２次焼結のみされた酸窒化アルミニウムセラミック試片と１次焼結を経た後、２次焼結された試片との透明度を比較できるように配列して撮影した写真である。 １次焼結なしに２次焼結のみされた酸窒化アルミニウムセラミック試片と１次焼結を経た後、２次焼結された試片とのｘ値による可視光線透過率を比較した図である。 １次焼結のみされたｘ値を異ならせる試片の破断面を走査電子顕微鏡（倍率：１０，０００倍）で観察した写真である。 １６６０℃で１０時間１次焼結のみされた酸窒化アルミニウム試片のｘ値による相対密度を示す図である。 １次焼結を経て２次焼結された酸窒化アルミニウム試片のｘ値による２００〜２５００ｎｍの領域に亘った直線光透過率のスペクトルを示す図である。 １次焼結を経て２次焼結された酸窒化アルミニウム試片の破断面を走査電子顕微鏡（倍率：１，５００倍）で観察した写真である。 ｘ値が２．５に固定され、１６２５℃から１７２５℃まで温度を異ならせて１０時間１次焼結のみされた試片の破断面を走査電子顕微鏡（倍率：１０，０００倍）で観察した写真である。 ｘ値が２．５に固定され、１６００℃から１７２５℃まで温度を異ならせて１０時間１次焼結のみされた試片のＸ線回折パターンで定量分析した結果であって、ＡｌＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、そして、ＡｌＮ相の体積分率を示す図である。 ｘ値が２．５である時、１次焼結保持時間を１時間から１０時間まで変化させることによって変わる１次焼結後の破断面微細構造を示す図である。 ｘ値によって、そして、焼結添加剤としてＭｇＯの添加有無によって、１次焼結での保持時間によって変わる可視光線透過率を示す図である。 焼結添加剤ＭｇＯの量によって変わる２００から２５００ｎｍ波長範囲での直線光透過率を示す図である。 焼結添加剤ＭｇＯの量による６３２ｎｍ波長光の直線透過率の変化を示す図である。 １次焼結を経て２次焼結されたが、２次焼結時間が２時間と５時間とに互いに異なる酸窒化アルミニウム試片の可視光線透過率を比較した図である。 ｘ値による酸窒化アルミニウム試片の結晶粒サイズとビッカース硬度とを示す図である。 試片の厚さによって変わる６３２ｎｍ波長光の直線透過率を示す図である。

本発明は、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの混合粉体を常圧反応焼結する透明な多結晶酸窒化アルミニウムの製造方法において、純粋なＡｌＮの含量が１７ないし２６ｍｏｌ％であり、相対密度が９５％以上になるように、１５７５℃ないし１６７５℃で１次焼結する段階と、前記１次焼結よりもさらに高い相対密度を果たすように、１９００℃ないし２０５０℃で２次焼結する段階と、を含み、前記製造された１．５ｍｍ厚さの試片の可視光線直線透過度が７０％以上であることを特徴とする透明な酸窒化アルミニウムの製造方法を提供する。この際、前記純粋なＡｌＮの含量は、化学式Ａｌ_{（６４＋ｘ）／３}Ｏ_{（３２−ｘ）}Ｎ_ｘ式で、ｘが、１．９ないし３．３に該当し、特に、前記純粋なＡｌＮの含量は、２１ないし２３ｍｏｌ％であることがより望ましい。

この際、前記ＡｌＮの含量が、前記範囲を外れて１７ｍｏｌ％よりも小さければ、二次相が多く形成されて、透過度が大きく減少し、２６ｍｏｌ％よりも大きければ、焼結性が減少し始めて、焼結温度と時間との関数であるが、透過度が著しく減少する問題が引き起こされる。

前記製造方法は、焼結添加剤として、０．０２重量％ないし０．５重量％のＹ_２Ｏ_３またはＬａ_２Ｏ_３、またはその重量に相当するイットリウム（Ｙ）化合物またはランタン（Ｌａ）化合物のうちから選択された何れか１つまたは２つ以上を含みうる。前記イットリウム化合物としては、イットリウム酸化物を使い、前記ランタン化合物としては、ランタン酸化物を使うことができる。この際、前記焼結添加剤の含量が、前記範囲を外れれば、前記焼結添加剤が形成する液相が過度に多く生じて、焼結後に全部蒸発することができず、試片内に残っていながら、透過度が減少する問題が引き起こされる。

前記製造方法は、焼結添加剤として、０．０６重量％ないし０．２９重量％のＭｇＯ、またはその重量に相当するマグネシウム（Ｍｇ）化合物をさらに含みうる。前記マグネシウム化合物としては、マグネシウム酸化物を使うことができる。この際、前記焼結添加剤の含量が、前記範囲を外れれば、最終焼結された試片の可視光線での透過度が減少する問題が引き起こされる。

前記製造方法は、相対密度が９５％以上になるように、１５７５℃ないし１６７５℃で１次焼結する段階と、前記１次焼結よりもさらに高い相対密度を果たすように、１９２５℃以上、望ましくは、１９００℃ないし２０５０℃で２次焼結する段階と、を含みうる。

より詳細には、前記製造方法は、相対密度が９５％以上になるように、１６５０℃で１０時間１次焼結する段階と、前記１次焼結よりもさらに高い相対密度を果たすように、１９７０℃で５時間２次焼結する段階と、を含みうる。

本発明に開示された相対密度とは、理論密度に対する相対密度の相対的な値の比率を意味し、１００から相対密度を差し引けば、気孔率になる。相対密度は、アルキメデス原理を利用した水浸法（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）でも測定することができる。

前記製造方法は、窒素ガス圧で０．１ないし１０ＭＰａで加圧焼結、より望ましくは、０．１ないし０．３ＭＰａで加圧焼結することができる。このような加圧焼結を通じて高温焼結中の酸窒化アルミニウムの蒸発を抑制することができる。

本発明による製造方法で製造された酸窒化アルミニウムは、純粋なＡｌＮの含量が１７ないし２６ｍｏｌ％であり、可視光線直線透過度が７０％以上、望ましくは、８０％以上であると確認され、また純粋なＡｌＮの含量が１７ないし２１ｍｏｌ％にすれば、７５％以上の可視光線直線透過度を有しながら、γ−ＡｌＯＮ相内に少量のφ’−ＡｌＯＮ相が存在し、ビッカース硬度が１６．５ＧＰａ以上であると確認された。

また、本発明は、酸窒化アルミニウム粉末を合成した後、前記酸窒化アルミニウム粉末を焼結する透明な多結晶酸窒化アルミニウムの製造方法において、酸窒化アルミニウム粉末組成を表わした化学式１で、ｘが、１．９ないし３．３であり、焼結添加剤として、０．０２重量％ないし０．５重量％のＹ_２Ｏ_３またはＬａ_２Ｏ_３、またはその重量に相当するイットリウム（Ｙ）化合物またはランタン（Ｌａ）化合物のうちから選択された何れか１つまたは２つ以上、及び０．０６重量％ないし０．２９重量％のＭｇＯ、またはその重量に相当するマグネシウム（Ｍｇ）化合物を含むことを特徴とする酸窒化アルミニウムの製造方法を提供する。
［化１］
Ａｌ_{（６４＋ｘ）／３}Ｏ_{（３２−ｘ）}Ｎ_ｘ

また、高透明度と硬度とをいずれも希望する場合には、ｘが、１．９ないし２．４であり、γ−ＡｌＯＮ相内に少量のφ'−ＡｌＯＮ相を有しており、ビッカース硬度が１６．５ＧＰａ以上であり得る。

以下、本発明を具体的な実施形態を通じてより詳細に説明する。
本発明の一実施例によれば、透明な多結晶酸窒化アルミニウムセラミックを製造するために、反応焼結される酸窒化アルミニウムの窒素と酸素量、すなわち、混合されるＡｌ_２Ｏ_３粉末とＡｌＮ粉末とのｍｏｌ比を最適化し、これに、焼結添加剤を混合して、予備焼結を経て最終焼結される。

この際、ＡｌＮは、１７ないし２６ｍｏｌ％、したがって、Ａｌ_２Ｏ_３は、７４ないし８３ｍｏｌ％に２つの主原料粉末のｍｏｌ比を定め、より望ましくは、透明度の極大化のために、ＡｌＮのｍｏｌ比を２１ないし２３ｍｏｌ％に定める。

このように、反応焼結される酸窒化アルミニウムは、約１６５０℃内外で１次焼結を経た後、１９００℃以上の温度で２次焼結され、１次焼結で最大限気孔を除去しなければ、透明度が低下する。１次焼結なしに１９００℃以上の最終焼結温度で焼結炉の温度を上げれば、１６７５℃内外の温度からＡｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとが反応して、酸窒化アルミニウムに相変態が起こるが、酸窒化アルミニウムの焼結性自体が相対的に低く、また、１次焼結なしに形成された酸窒化アルミニウムの粒子が、既に比較的大きく、また気孔サイズも大きくて、以後の最終焼結で気孔を除去して、高密度を得にくい問題がある。一般的に、粉末焼結で焼結される粒子が大きいほど、また気孔サイズが大きいほど、気孔を除去することが、すなわち、緻密化が難しい。

したがって、酸窒化アルミニウムに相変態が起こる前、すなわち、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの混合体を最大限緻密化させなければならない。一般的に、Ａｌ_２Ｏ_３は、約１５００℃内外で緻密化が起こり始め、窒化アルミニウムは、数重量％の焼結添加剤が存在する時、約１７００℃以上で緻密化が起こる。したがって、２つの混合粉体は、焼結温度が低いＡｌ_２Ｏ_３の含量が高いほど緻密化が容易である。このような理由によって、気孔なしに透明な高密度酸窒化アルミニウムを反応焼結で製造するためには、比較的低い温度での１次焼結を経なければならないが、最大限１次焼結での焼結性が高いＡｌ_２Ｏ_３の比率が高いと、すなわち、ＡｌＮの比率が低いほど良い。但し、ＡｌＮの比率があまりにも低くて、以後２次焼結中に二次相が析出されれば、透明度が減少する。

また、酸窒化アルミニウムは、逆スピネル構造を有し、Ａｌ_{（６４＋ｘ）／３}□_{（８−ｘ）／３}Ｏ_{（３２−ｘ）}Ｎ_ｘの化学式で表現される。すなわち、四角（□）は、Ａｌイオンの空所（ｖａｃａｎｃｙ）を意味し、これは、窒素量である“ｘ”値によって変わる。このような化学式によれば、窒素量、すなわち、ｘ値が小さいほど空所の濃度が高くなる。一般的に、結晶内の空所が多ければ、原子またはイオンの拡散速度が増加して、焼結性が増加する。したがって、γ−ＡｌＯＮ相でありながら、Ａｌ_２Ｏ_３に対するＡｌＮの比、すなわち、ｘ値が小さいほど、Ａｌ空所の濃度が高くなって、焼結性がさらに増加し、気孔の除去が容易になる。

本発明では、ｘ値が小さくなるにつれて、ＡｌＯＮ相の焼結性がさらに増加して、２次焼結での酸窒化アルミニウムの緻密化を助け、これと同様に、小さなｘ値は、焼結性が高いＡｌ_２Ｏ_３の含量が高くなって、１次焼結中に緻密化を増進させ、気孔を迅速に減らして、相対密度を高め、これは、２次焼結でほぼ全ての気孔が除去になる結果をもたらすということを見つけ、結果的に、ｘ値を可能な限り減らすことによって、非常に高い光透過率を得た。

以下、本発明によって、工程条件を多様に変化させて、酸窒化アルミニウムセラミックを製造した実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。但し、このような実施例によって、本発明が限定されるものではない。

＜実施例１＞
焼結添加剤として使われたＹ_２Ｏ_３は、０．０８重量％、ＭｇＯは、０．１５重量％に固定させるが、ＡｌＮのｍｏｌ比を１８．２％（ｘ＝２．０）から３５．７％（ｘ＝５．０）まで変化させながら、酸窒化アルミニウムを製造した。２つの主原料であるＡｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの間の実際添加量は、ＡｌＮ粉末に表面の酸化によって含有された酸素量（約１重量％）とボールミル工程のうち、Ａｌ_２Ｏ_３ボールの摩耗量を考慮して、ｘ値で計算された。このような原料粉末と焼結添加剤とをポリウレタン容器でエチルアルコールを溶媒で高純度Ａｌ_２Ｏ_３ボールを使って、４８時間ミーリングした後、回転蒸発乾燥器を使って乾燥させた。該乾燥された粉末は、乾式一軸プレスを使って、直径２０ｍｍ、厚さ３ｍｍのディスクに成形させた後、これを２７５ＭＰａで冷間等圧成形（ｃｏｌｄ ｉｓｏｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｉｎｇ）した。ディスク試片は、高温電気炉で１気圧の窒素雰囲気で焼結され、１次焼結は、１６６０℃で１０時間、そして、２次焼結は、１９７０℃で２時間保持させた。昇温速度は、１５００℃までは分当たり２０℃、これを超過する温度では、分当たり１０℃であり、冷却速度は、分当たり２０℃であった。２次焼結された試片は、両面を平らに研削した後、実験用表面研摩機を使って、両面に対して３μｍサイズのダイヤモンドペーストで表面研磨され、最終試片の厚さは、約１．５ｍｍであった、研磨された試片の直線光透過率は、Ｖａｒｉａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ（Ｃａｒｒｙ５００）を用いて２００ｎｍから２５００ｎｍの波長範囲で各試片別に測定した。

図１は、このように製造された１次焼結なしに２次焼結のみされた酸窒化アルミニウムセラミック試片と１次焼結を経た後、２次焼結された試片との透明度を比較できるように、ｘ値によって配列して撮影した写真であって、１次焼結を経らなければ、特に、ｘ値が高いほど透明度が明確に低かった。

図２は、ｘ値による６３２ｎｍ波長光の直線透過率を１次焼結の有無で比較して表わしたものであって、１次焼結なしに２次焼結のみされた試片の透過率は、特に、ｘ値が高いほど１次焼結を経て２次焼結された試片に比べて著しく低かった。ｘ値が５．０（３５．７ｍｏｌ％のＡｌＮ）である時は、２種の試片いずれも透過度が０．５％未満であり、ｘ値が減少するにつれて、２種の試片いずれも透過率が大きく増加しながら、ｘ値が２．２５（２０．０ｍｏｌ％のＡｌＮ）で最高点に達し、２．０では、再び多少減少した。特に、１次焼結を経た時、ｘ値が、２．２５で最も高い８０％以上の透過率を得て、２．５では多少低かったが、依然として８０％に近接する程度に高かった。これと比較して、従来技術で一般的に使った３５．７ｍｏｌ％（５．０のｘ値）または３０ｍｏｌ％（３．９のｘ値）のＡｌＮ組成を使うならば、それぞれ０．５％未満または約４５％の透過率を得るのに過ぎない。

図３は、１次焼結のみされた試片の破断面を走査電子顕微鏡で観察した写真であって、ｘ値が低いほど、すなわち、ＡｌＮの含量が少ないほど１次焼結後、気孔が少なく、またそのサイズも小さく表われた。これは、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの複合粉体は、ＡｌＮの含量が多くなれば、複合粉体の焼結性が減少するためである。また、１次焼結の温度が１６５０℃である時から酸窒化アルミニウムの生成が始まって、１６５０℃で１０時間後には、体積比６ないし１０％程度になり、これは、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの減少をもたらす。このように１次焼結中に生成される酸窒化アルミニウム相は、ＡｌＮが多ければ、さらに多く生じ、ＡｌＮと同様に、１次焼結中に緻密化を妨害するために、結果的に、ｘ値が大きければ、すなわち、ＡｌＮが多ければ、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ複合粉体との１次焼結での焼結性が落ちることには変わりがない。また、１次焼結の温度が１６７５℃よりも高くなれば、焼結中に酸窒化アルミニウム相が急激に多く生成されて、緻密化が難し、したがって、２次焼結後にも透明度が低下した。

図４は、図２の試片のように、１次焼結のみされた試片のｘ値によって変わる相対密度を表わしたものであって、ｘ値が、２．５よりも大きくなれば、相対密度が著しく減少すると表われ、このような１次焼結密度は、以後２次焼結後の焼結密度または気孔度に影響を及ぼす。図２のように、ｘ値が、２．２５ないし２．５で透過率が最も高いものは、前記のように、１次焼結で高密度、すなわち、少ない気孔率と小さな気孔とを有し、このような小さな気孔は、２次焼結でほぼ除去されることができたためである。一方、ｘ値が、３．０、特に、３．５以上では、１次焼結後の高気孔率の大きな気孔が２次焼結中にいずれも除去されなかった。

図５は、１次焼結と２次焼結とを経たｘ値を異ならせる酸窒化アルミニウム試片の２００ｎｍないし２５００ｎｍ波長範囲での直線光透過率を表わしたものであって、ｘ値が、２．２５や２．５である時、可視光線波長のほぼ全領域で８０％内外の高透過率を表わした。特に、ｘ値が、２．５よりも大きければ、可視光線透過率が低下し、３．５からは大きく減少した。

図６は、１次焼結と２次焼結とを経た酸窒化アルミニウム試片の破断面を走査電子顕微鏡で観察した写真であって、ｘ値が２．０では、写真左側の結晶粒の粒内破断面が凹凸のものが見え、これは、ｘ値が２．２５、またはそれ以下で二次相であるφ’−ＡｌＯＮ相が生成されたためである。このような二次相は、ｘ線回折パターンでも確認になり、図３でのｘ値が、２．０である時、透過率が多少減少する原因となった。ｘ値２．２５でも、二次相が少しでも発見されたが、２．５よりも焼結性が高くて、結果的には、光透過率が２．２５で最も高かった。ｘ値が、２．５またはそれ以下である時は、試片で気孔を見つけにくく、ｘ値が、３．０以上に高ければ、特に、結晶粒内に微細気孔が観察された。気孔は、ｘ値が増加するにつれてさらに多くなり、透過率を大きく減少させ、このような結晶粒内の微細気孔は、１次焼結後に焼結性が低いＡｌＮの含量が高くて、生じた多くの大きな気孔が、２次焼結中にいずれも除去にならず、結晶粒内に入って残存したものである。

＜実施例２＞
１６００℃から１７２５℃まで温度を異ならせたものを除いては、実施例１とは同じ方法で１次焼結のみを行った試片を製造した。

図７は、１６２５℃から１７２５℃まで温度を異ならせた試片の破断面写真を表わしたものであって、１次焼結を１０時間した後、１６５０℃の密度が最も高いと表われ、１６７５℃以上では、気孔率がむしろ大きく増加した。これは、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとが反応して酸窒化アルミニウムに相変態が起こり、酸窒化アルミニウムは、その温度では焼結が遅いためである。

図８は、１次焼結温度を１６００℃から１７２５℃まで温度を異ならせた試片に対してＸ線回折パターンに表われる相を定量分析した結果であって、ＡｌＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、そして、ＡｌＮ相の体積比が表われている。１６５０℃で１０時間後には、酸窒化アルミニウム相への相変態が多く進行して、ＡｌＯＮ相が主相になり、この温度では、緻密化と相変態とが共に起こるが、Ａｌ_２Ｏ_３が相対的に多く残っている時、緻密化が完了すると見なされる。１６７５℃では、相変態が完了して、ＡｌＯＮ相のみが残っており、この場合は、相変態が緻密化になる前にあまりにも早く起こって、図７に示したように、緻密化がよくできず、気孔が多く残っている。したがって、相変態が過度に起こる前に、すなわち、Ａｌ_２Ｏ_３が多く残っている時、１次焼結を行って、可能な限り相対密度を高める、すなわち、気孔を除去することが重要である。温度が１６００℃ないし１６２５℃では、１０時間後にも、Ａｌ_２Ｏ_３相がほぼ残っているが、低温度によって焼結が相対的に遅く、したがって、この温度では、相対的にさらに長時間１次焼結を行って、気孔を除去しなければならない。

＜実施例３＞
１次焼結温度は、１６４０℃であり、保持時間は、１ないし１０時間に変化させ、焼結添加剤として、ＭｇＯとＹ_２Ｏ_３とをいずれも含ませるか、Ｙ_２Ｏ_３のみ含ませたものを除いては、実施例１とは同じ方法で酸窒化アルミニウムセラミック試片を製造した。

図９は、ｘ値が２．５であり、ＭｇＯとＹ_２Ｏ_３とをいずれも含ませた試片の１次焼結保持時間を１時間から１０時間まで変化させることによって変わる１次焼結後の破断面微細構造を表わすものであって、保持時間が短かった時は、気孔率が高く、１０時間まで持続的に相対密度が高くなった。したがって、このような１次焼結温度で高い相対密度を得るためには、１０時間の十分な保持が必要である。

図１０は、ｘ値によって、そして、焼結添加剤としてＭｇＯが含まれたか否かによって、１次焼結での保持時間によって変わる６３２ｎｍ波長光の直線透過率を表わしたものであって、ＭｇＯが共に含まれた試片は、Ｙ_２Ｏ_３のみ含まれた試片よりも透過率が常に高く、Ｙ_２Ｏ_３のみ含まれた試片も、２種がいずれも含まれた試片のように、ｘ値が４．５から２．５に減少するほど透過率が大きく増加した。また、１次焼結の保持時間が、２時間である時は、ｘ値２．５で透過率が８０．８％であり、保持時間が増加しながら、次第に増加して、保持時間が１０時間である時は、１９７０℃で２時間のみの２次焼結後に、８３．３％の非常に高い透過率が得られた。これは、同じｘ値を有しても、１次焼結後の相対密度が高ければ、透過率がさらに高いということを知らせる。したがって、ｘ値が同じく２．５であるとしても、２次焼結中には、酸窒化アルミニウム内の空所が多くて焼結性が高くなるが、１次焼結後の密度が十分に高くなければ、すなわち、気孔率が高ければ、２次焼結中に、このような気孔の完全な除去が難しくなる。したがって、ｘ値が２．５（２１．７ｍｏｌ％のＡｌＮ）に低いながら、１次焼結のうち、Ａｌ_２Ｏ_３の含量が多くて、高い焼結性で１次焼結後、相対密度が高いほど高光透過率を得る。

＜実施例４＞
焼結添加剤として、Ｙ２Ｏ３は、０．０８重量％を含みながら、ＭｇＯの量を０ないし０．５重量％まで変化させ、１次焼結が、６５０℃で１０時間行われ、ｘ値を２．５に固定させたものを除いては、実施例１とは同じ方法で１次焼結を経て、２次焼結された酸窒化アルミニウムセラミック試片を製造した。

図１１は、添加されたＭｇＯの量によって変わる２００から２５００ｎｍ波長範囲での直線光透過率を表わし、また、図１２は、ＭｇＯの添加量による透過率の傾向を表わしたものである。ＭｇＯが含まれていない試片は、７８．９％であり、ＭｇＯを０．０５重量％に添加すれば、７９．３％に非常に微弱な増加を見せ、０．１５重量％に添加した時、透過率が８３．０％に最も高かった。一方、０．３重量％では、透過率が著しく減少し、０．５重量％では、ＭｇＯが全く添加されていない試片よりも透過率がむしろ大きく低かった。Ｘ線回折分析や微細構造の観察によれば、少なくとも０．３重量％までの少量のＭｇＯ添加は、Ｍｇ−スピネルのような二次相を析出しなかった。Ｍｇの酸窒化アルミニウムに対する固溶限界は、１８７０℃で４０００ｐｐｍ以上と知られており（Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ Ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ Ｌａ ａｎｄ Ｙ ｉｎ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ ａｔ １８７０℃，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，９１［５］（２００８））、したがって、０．５重量％からは、固溶限界を外れることもできる。このようなＭｇＯの効果は、酸窒化アルミニウムのＭｇ固溶限界内でのみ表われ、これは、一般的に固溶限界を外れて二次相が析出されれば、焼結性または透過度を減少させることができるためである。このような固溶限界内のＭｇＯのＡｌＯＮ焼結での役割は、Ａｌ_２Ｏ_３焼結の最後の段階で非正常結晶粒の成長を阻んで、気孔を引き続き除去可能にするＭｇＯ効果と類似している。したがって、ＭｇＯの添加は、２次焼結、すなわち、相対密度が既に９５％を遥かに超えるＡｌＯＮ相で結晶粒の成長が早く起こる段階で気孔を引き続き除去するのに効果があると見なされる。それにも拘らず、０．１５重量％で最高透過率を見せながら、３．０重量％以上に増加すれば、依然として固溶限界内であるにも、透過率が減少することは、特異な現象である。また、前記したように、国際公開特許第０８／０４７９５５号では、ＡｌＮ含量が３５ｍｏｌ％に固定された時のＭｇＯ効果を開示したが、本発明でのように、これより遥かに低いＡｌＮｍｏｌ比まで広い範囲で同じ傾向の透過率の増進効果を示すことも、面白い新たな現象である。

＜実施例５＞
２次焼結を時間を増やして、１９７０℃で５時間行われたものを除いては、実施例１とは同じ方法で１次焼結を経た酸窒化アルミニウムセラミック試片を製造した。

図１３は、このように製造された酸窒化アルミニウムセラミック試片のｘ値による６３２ｎｍ波長光の直線透過度を、図２のように、１次焼結を経て、２次焼結されたが、２次焼結時間が２時間で短くなった試片の直線透過度と比較して表わしたものである。２次焼結時間が長くなれば、気孔がさらに小さくなるか、除去されるだけではなく、結晶粒の成長がさらに起こって、結晶粒系での光散乱が少なくなりながら、透過率が増加する。したがって、５時間試片は、２時間試片よりも全体的に透過度が高かった。また、ｘ値による透過度は、互いに同じ傾向を見せて、２．２５と２．５である時、最も高い透過度を見せ、但し、最終焼結が５時間である時は、２．５試片が２．２５試片よりも透過度がさらに高かった。これは、２．２５試片にさらに多く生成されたφ'−ＡｌＯＮ二次相が原因である。

このように、比較的低い最終焼結温度である１９７０℃で５時間のみの焼結でｘ値が２．５である時、６３２ｎｍ波長光の直線透過率が８４．９％に非常に高く、これは、屈折率による酸窒化アルミニウムの表面反射を考慮すれば、理論直線透過度の９９％以上に達するものであり、単結晶であるサファイアの透過率に迫る。

図１４は、このような試片に対して２．９４Ｎの荷重で測定したビッカース硬度と平均結晶粒サイズとを表わしたものであって、結晶粒サイズは、ｘ値が大きいほど、焼結中に相対的に多くの気孔の影響で小さくなった。ｘ値が２．５である時は、１６．１ＧＰａとして知られたＡｌＯＮのビッカース硬度と類似しているが、ｘ値が減少すれば、２．２５で１７．７ＧＰａ、そして、２．０で１７．９ＧＰａで大きく増加した。これは、ｘ値が２．２５から生成されるφ'−ＡｌＯＮ二次相が原因であると見なされる。ｘ値が２．５よりも大きくても、硬度が多少増加するが、これは、結晶粒サイズが小さくなって増加すると推定され、最終焼結温度及び経時的に透明度が大きく減少することもある。φ'−ＡｌＯＮ二次相も透明度を多少減少させるが、硬度を大きく高めるので、２．２５の非常に低いｘ値を有するＡｌＯＮは、透明度も８１％以上に高いながらも、高硬度または耐磨耗性を有する有用な透明セラミックになりうる。これは、酸窒化アルミニウムの製造方法に関係なく、すなわち、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの混合粉体を反応焼結するか、合成されたＡｌＯＮ粉末を使って焼結を経て製造するか、ｘ値が２．２５の内外に低ければ、φ'−ＡｌＯＮ二次相が生成されて硬度が増進する。

＜実施例６＞
１次焼結は、１６５０℃で１０時間、２次焼結は、１９５０℃で７時間または２０時間行われ、ｘ値を２．５に固定させ、試片の厚さを０．７５ｍｍから５ｍｍまで変化させたものを除いては、実施例１とは同じ方法で１次焼結を経て、２次焼結された酸窒化アルミニウムセラミック試片を製造した。

図１５は、０．７５ｍｍから５ｍｍまでの試片の厚さによって変わる６３２ｎｍ波長光の直線透過率を表わしたものであって、厚さが薄いほど透過率が増加することを表わす。比較的低い温度である１９５０℃で７時間焼結されたにも拘らず、約２ｍｍまでは透過率が８０％を上回ると表われた。しかし、厚さが増加すれば、８０％以下に大きく減少し、したがって、非常に高い透過率、及び厚い応用のためには、最終焼結温度を高めるか、焼結時間を増やせば良い。厚さが厚くなれば、光が散乱される気孔数が増加し、また、光が合って散乱される多結晶粒界数の増加が、透過率減少の主原因となる。最終焼結温度を高めるか、焼結時間を増やせば、透過率が増加し、これは、気孔も減少するが、結晶粒の成長もさらに起こって、粒界が少なくなるためである。

しかし、図６の破断面微細構造に示したように、ｘ値が３．５（２８ｍｏｌ％のＡｌＮ）またはそれ以上であれば、微細気孔が結晶粒内に存在し、セラミック焼結中、このような粒界から遠くある粒内気孔は、続けられる焼結炉も除去が大変であるいうことがよく知られている。すなわち、ｘ値が大きければ、最終焼結温度を高めるか、時間を増やして透過度を向上させるのに限界がある。したがって、高透過率を得るのに十分に低いｘ値は、決定的に重要であり、もちろん、前述したように、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ混合粉体との反応焼結で透明な酸窒化アルミニウムを製造するためには、１６５０℃内外での十分な１次焼結が伴われなければならない。同様に、固溶限界内の比較的狭い範囲の０．１５重量％ＭｇＯの添加も、高透過率を得るのに非常に重要である。

前記１次焼結は、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ混合粉体との反応焼結で透明な酸窒化アルミニウムを製造するために適用されるが、２．５内外の小さなｘ値の重要性は、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ混合粉体との反応焼結だけではなく、ＡｌＯＮ粉末を合成した後、これを焼結する時も、大きく役に立つ。１次焼結なしに焼結すれば、時間当たり６００℃に迅速に昇温されるために、緻密化がよくできない多くの気孔を含有した状態でＡｌＯＮ相が形成され、１９００℃以上の焼結温度に上がる。これは、１次焼結の効果はもちろんなく、ＡｌＯＮ試片を焼結することと類似している。図２に１次焼結なしに、このように焼結された試片の光透過率が、ｘ値によって表われている。すなわち、ＡｌＯＮ相の焼結で得られた透過率は、１次焼結を経て相対密度９５％内外のＡｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ混合粉体とを２次焼結した時と同じ傾向を表わした。ｘ値が２．５に減少した時、透過率が大きく増加し、５．０に行くほど大きく減少した。このような結果から、低いｘ値は、ＡｌＯＮ粉末を合成した後、焼結しても、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ混合粉体との反応焼結とは同様に、焼結性または緻密化を増進させる効果をもたらし、したがって、気孔をさらに容易に除去して、結果的に大きく向上した透過率をもたらす。

前述したように、Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ混合粉体との反応焼結を通じる酸窒化アルミニウムを製造する時は、ｘ値は１次焼結でＡｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ複合体との緻密化の増進と、先立って詳しく説明したように、２次焼結でのＡｌＯＮ内のＡｌ陽イオンの空所の増加で焼結性が増進する２種の互いに異なる効果がある一方、ＡｌＯＮ粉末を合成して粉体を作って、酸窒化アルミニウムを製造する時は、空所の増加による焼結性の増進の１種の効果のみある。しかし、このような二番目の効果１つのみでも、前述したように、図２の１次焼結なしに焼結されて得られた透過率の傾向で見れば、その影響が非常に大きくて、低いｘ値は合成されたＡｌＯＮ粉末を使って焼結を通じて製造される酸窒化アルミニウムの透過度も大きく向上させると容易に予想することができる。

同様に、少量の焼結添加剤として、ＭｇＯの効果も前記のように、合成されたＡｌＯＮ粉末を使って焼結を通じて酸窒化アルミニウムを製造する時にも、大きな透過度の増進をもたらすと予想される。国際公開特許第０８／０４７９５５号では、原料のＡｌＮ組成が３５ｍｏｌ％に固定されたＡｌ_２Ｏ_３とＡｌＮ混合粉体とを反応焼結で酸窒化アルミニウムを製造する時、１次焼結なしに２０００℃で５時間最終焼結された試片の可視光線での透過率も添加されたＭｇＯの量によって劇的に変わる結果を示した。すなわち、ＭｇＯの量が０重量％、０．０５重量％、０．１重量％、０．２重量％、０．３重量％に変わることによって、透過率が０．２％、３．２％、６３．１％、２８．７％、２．５％に非常に大きく変化した。０．０５重量％から０．１重量％にＭｇＯ添加量が増加すれば、透過率が不透明な３．２％から比較的透明な６３．１％に垂直上昇し、０．３重量％に増加すれば、２．５％に墜落した。前記図１０で、ＭｇＯ効果は、ｘ値に関係なく、すなわち、ｘ値が２．５ないし４．５のあらゆる範囲で効果があるということを示した。したがって、このような２次焼結のみでのＭｇＯの劇的な透過率の増進効果は、合成されたＡｌＯＮ粉末を使って焼結を通じて酸窒化アルミニウムを製造する時にも、同様に発揮されると容易に予想することができる。

以上のように、本発明は、たとえ限定された実施例と図面とによって説明されたとしても、本発明は、これによって限定されず、当業者によって、本発明の技術思想と下記に記載の特許請求の範囲の均等範囲内とで多様な修正及び変形が可能であるということはいうまでもない。

本発明は、透明度が向上した多結晶酸窒化アルミニウムの製造方法に関連する技術分野に適用可能である。

Claims (9)

1. Ａｌ_２Ｏ_３とＡｌＮとの混合粉体を常圧反応焼結する透明な多結晶酸窒化アルミニウムの製造方法において、純粋なＡｌＮの含量が１７ないし２６ｍｏｌ％であり、相対密度が９５％以上になるように、１５７５℃ないし１６７５℃で１次焼結する段階と、
   前記１次焼結よりもさらに高い相対密度を果たすように、１９００℃ないし２０５０℃で２次焼結する段階と、を含み、前記製造された１．５ｍｍ厚さの試片の可視光線直線透過度が７０％以上であることを特徴とする透明な酸窒化アルミニウムの製造方法。
2. 前記製造方法は、焼結添加剤として、０．０２重量％ないし０．５重量％のＹ_２Ｏ_３またはＬａ_２Ｏ_３、またはその重量に相当するイットリウム（Ｙ）化合物またはランタン（Ｌａ）化合物のうちから選択された何れか１つまたは２つ以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の酸窒化アルミニウムの製造方法。
3. 前記製造方法は、焼結添加剤として、０．０６重量％ないし０．２９重量％のＭｇＯ、またはその重量に相当するマグネシウム（Ｍｇ）化合物をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の酸窒化アルミニウムの製造方法。
4. 前記製造方法は、窒素ガス圧で０．１ないし１０ＭＰａで加圧焼結することを特徴とする請求項１に記載の酸窒化アルミニウムの製造方法。
5. 前記製造方法は、窒素ガス圧で０．１ないし０．３ＭＰａで加圧焼結することを特徴とする請求項４に記載の酸窒化アルミニウムの製造方法。
6. 前記純粋なＡｌＮの含量は、２１ないし２３ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１に記載の酸窒化アルミニウムの製造方法。
7. 前記酸窒化アルミニウムは、純粋なＡｌＮの含量が１７ないし２１ｍｏｌ％であり、ビッカース硬度が１６．５ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の酸窒化アルミニウムの製造方法。
8. 酸窒化アルミニウム粉末を合成した後、前記酸窒化アルミニウム粉末を焼結する透明な多結晶酸窒化アルミニウムの製造方法において、酸窒化アルミニウム粉末組成を表わした化学式１で、ｘが、１．９ないし３．３であり、焼結添加剤として、０．０２重量％ないし０．５重量％のＹ_２Ｏ_３またはＬａ_２Ｏ_３、またはその重量に相当するイットリウム（Ｙ）化合物またはランタン（Ｌａ）化合物のうちから選択された何れか１つまたは２つ以上、及び０．０６重量％ないし０．２９重量％のＭｇＯ、またはその重量に相当するマグネシウム（Ｍｇ）化合物を含むことを特徴とする酸窒化アルミニウムの製造方法。
   ［化１］
   Ａｌ_{（６４＋ｘ）／３}Ｏ_{（３２−ｘ）}Ｎ_ｘ
9. ｘが、１．９ないし２．４であり、ビッカース硬度が１６．５ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項８に記載の酸窒化アルミニウムの製造方法。

Images